(C语言内存五)C语言内存对齐,提高寻址效率

计算机内存是以字节(Byte)为单位划分的,理论上CPU可以访问任意编号的字节,但实际情况并非如此。

CPU 通过地址总线来访问内存,一次能处理几个字节的数据,就命令地址总线读取几个字节的数据。32 位的 CPU 一次可以处理4个字节的数据,那么每次就从内存读取4个字节的数据;少了浪费主频,多了没有用。64位的处理器也是这个道理,每次读取8个字节。

以32位的CPU为例,实际寻址的步长为4个字节,也就是只对编号为 4 的倍数的内存寻址,例如 0、4、8、12、1000 等,而不会对编号为 1、3、11、1001 的内存寻址。如下图所示:
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这样做可以以最快的速度寻址:不遗漏一个字节,也不重复对一个字节寻址。

对于程序来说,一个变量最好位于一个寻址步长的范围内,这样一次就可以读取到变量的值;如果跨步长存储,就需要读取两次,然后再拼接数据,效率显然降低了。

例如一个 int 类型的数据,如果地址为 8,那么很好办,对编号为 8 的内存寻址一次就可以。如果编号为 10,就比较麻烦,CPU需要先对编号为 8 的内存寻址,读取4个字节,得到该数据的前半部分,然后再对编号为 12 的内存寻址,读取4个字节,得到该数据的后半部分,再将这两部分拼接起来,才能取得数据的值。

将一个数据尽量放在一个步长之内,避免跨步长存储,这称为内存对齐。在32位编译模式下,默认以4字节对齐;在64位编译模式下,默认以8字节对齐。

为了提高存取效率,编译器会自动进行内存对齐,请看下面的代码:

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
struct{
    int a;
    char b;
    int c;
}t={ 10, 'C', 20 };
int main(){
    printf("length: %d\n", sizeof(t));
    printf("&a: %X\n&b: %X\n&c: %X\n", &t.a, &t.b, &t.c);
    system("pause");
    return 0;
}

在32位编译模式下的运行结果:
length: 12
&a: B69030
&b: B69034
&c: B69038

如果不考虑内存对齐,结构体变量 t 所占内存应该为 4+1+4 = 9 个字节。考虑到内存对齐,虽然成员 b 只占用1个字节,但它所在的寻址步长内还剩下 3 个字节的空间,放不下一个 int 型的变量了,所以要把成员 c 放到下一个寻址步长。剩下的这3个字节,作为内存填充浪费掉了。请看下图:
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编译器之所以要内存对齐,是为了更加高效的存取成员 c,而代价就是浪费了3个字节的空间。

除了结构体,变量也会进行内存对齐,请看下面的代码:

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
int m;
char c;
int n;
int main(){
    printf("&m: %X\n&c: %X\n&n: %X\n", &m, &c, &n);
    system("pause");
    return 0;
}

在VS下运行:
&m: DE3384
&c: DE338C
&n: DE3388

可见它们的地址都是4的整数倍,并相互挨着。

经过笔者测试,对于全局变量,GCC在 Debug 和 Release 模式下都会进行内存对齐,而VS只有在 Release 模式下才会进行对齐。而对于局部变量,GCC和VS都不会进行对齐,不管是Debug模式还是Release模式。
改变对齐方式
内存对齐虽然和硬件有关,但是决定对齐方式的是编译器,如果你的硬件是64位的,却以32位的方式编译,那么还是会按照4个字节对齐。

对齐方式可以通过编译器参数修改,以VS2010为例,更改对齐方式的步骤为:项目 --> 属性 --> C/C++ --> 代码生成 --> 结构成员对齐,如下图所示:
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最后需要说明的是:内存对齐不是C语言的特性,它属于计算机的运行原理,C++、Java、Python等其他编程语言同样也会有内存对齐的问题。

posted @ 2021-06-18 17:13  Smah  阅读(1194)  评论(0编辑  收藏  举报